"В прошлом холодные атомарные газы были хорошо известны своей способностью "программировать" взаимодействия между атомами", - говорит профессор Жан-Филипп Брантут из EPFL. "Наш эксперимент удваивает эту способность!" Работая с группой профессора Хельмута Ритша из Университета Инсбрука, они совершили прорыв, который может повлиять не только на квантовые исследования, но и на технологии, основанные на квантах, в будущем.

Волны плотности

Ученые давно интересовались пониманием того, как материалы самоорганизуются в сложные структуры, такие как кристаллы. В часто загадочном мире квантовой физики такого рода самоорганизация частиц проявляется в "волнах плотности", где частицы выстраиваются в регулярный, повторяющийся узор или "порядок"; подобно группе людей в рубашках разного цвета, стоящих в линию, но в порядке, где нет двух людей в рубашках одного цвета, стоящих рядом друг с другом.

Волны плотности наблюдаются в различных материалах, включая металлы, изоляторы и сверхпроводники. Однако изучать их было сложно, особенно когда этот порядок (расположение частиц в волне) встречается с другими типами организации, такими как сверхтекучесть - свойство, которое позволяет частицам течь без сопротивления.

Стоит отметить, что сверхтекучесть - это не просто теоретический курьез; она представляет огромный интерес для разработки материалов с уникальными свойствами, такими как высокотемпературная сверхпроводимость, которая может привести к более эффективной передаче и хранению энергии, или для создания квантовых компьютеров.

Настройка ферми-газа с помощью света

Чтобы исследовать это взаимодействие, Брантут и его коллеги создали "унитарный ферми-газ" - разреженный газ из атомов лития, охлажденный до чрезвычайно низких температур, в котором атомы очень часто сталкиваются друг с другом.

Затем исследователи поместили этот газ в оптический резонатор - устройство, используемое для удержания света в небольшом пространстве в течение длительного периода времени. Оптические полости состоят из двух обращенных друг к другу зеркал, которые тысячи раз отражают поступающий свет взад и вперед между ними, позволяя световым частицам, фотонам, накапливаться внутри полости.

В ходе исследования исследователи использовали резонатор, чтобы заставить частицы в ферми-газе взаимодействовать на большом расстоянии: первый атом испускал бы фотон, который отражался бы от зеркал, а затем повторно поглощался вторым атомом газа, независимо от того, как далеко он находится от первого. Когда испускается и поглощается достаточное количество фотонов - что легко настраивается в эксперименте, - атомы коллективно организуются в волновую структуру плотности.

"Комбинация атомов, сталкивающихся непосредственно друг с другом в ферми-газе, при одновременном обмене фотонами на большие расстояния, представляет собой новый тип материи, где взаимодействия являются экстремальными", - говорит Брантут. "Мы надеемся, что то, что мы там увидим, улучшит наше понимание некоторых из самых сложных материалов, встречающихся в физике".